采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明：地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为：地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。     

陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏特征研究

 顺层岩质斜坡是常见的斜坡结构类型之一,对该类斜坡的变形破坏特征以及形成机制研究已较深入,一般认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移–拉裂、滑移–弯曲(或溃曲)模式为特征。通过系统的文献收集及大量现场调查发现,陡倾顺层岩质斜坡还存在一种典型的变形破坏形式,即倾倒变形。结合具体的陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏的实例,详细分析、总结该类斜坡发育的地质环境条件及变形破坏特征,在此基础上结合典型斜坡分析陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形是在河谷演化、成坡过程中,岩层在平行坡面的最大主应力作用下由坡脚开始从下至上作悬臂梁弯曲,最终导致岩层根部折断,形成倾倒体;当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时,坡体将发生滑动形成滑坡。     

反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究*

 以黄河上游某电站库区一大型反倾层状岩质斜坡的变形破坏为例,通过地质分析及数值模拟分析,揭示了该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下作悬臂梁弯曲,使岩层发生弯曲变形,导致坡体后缘开裂、根部折断,前缘发生剪切蠕变,当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时,坡体逐渐错动下滑形成倾倒塌滑体。     

陡倾反向岩质滑坡破坏机制及影响因素研究

重庆市巫溪县中梁乡硝洞槽-郑家大沟滑坡是一处典型的大型陡倾反向岩质滑坡,滑坡是在坡脚中梁水库蓄水后形成的,研究该类滑坡的破坏机制及影响因素对于开展该类滑坡的防治具有十分重要的意义。笔者在分析滑坡变形特征的基础上,结合专业监测成果,对硝洞槽-郑家大沟滑坡的破坏机制及影响因素进行了深入研究。研究表明,滑坡破坏类型主要为弯曲-折断破坏,包括弯曲、弯曲拉裂、折断破坏3个阶段。滑坡的影响因素包括坡体内在因素和诱发因素2个方面,本文重点研究了诱发因素,该滑坡诱发因素主要为水库蓄水,库水位抬升后,滑坡变形持续增加,且库水位越高,滑坡变形速度越快。     

地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡失稳机制研究

 我国西南灰岩山区的褶皱山体经长期强烈的地质抬升运动与河流侵蚀,山体呈现出中上部厚层-巨厚层灰岩地层陡峭,下部页岩、泥岩地层平缓的“靴状”地貌形态,加之下部煤层、铝土矿层的开采,成为我国大型层状岩质崩滑灾害的高发区。本文以重庆武隆鸡冠岭陡倾层状岩质斜坡滑动为例,采用FLAC3D模拟分析了地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡“弯曲变形-层间错动-采矿加速倾倒变形-下伏岩体阻滑-下伏岩体剪切破坏-整体失稳”的渐进失稳过程,认为鸡冠岭山体滑动是一类层状岩体的倾倒-滑移失稳的复合破坏模式。模拟结果表明：(1) 陡倾临空的斜坡在长期重力作用下,坡体沿山梁方向发生蠕滑变形,坡体逐渐产生拉裂缝;同时由于该斜坡位于背斜核部附近,应力集中导致上覆层状岩体呈现出弯曲变形的特征;(2) 长期岩溶作用加速坡体裂缝的发育与扩张;(3) 斜坡下部煤层开采时,导致鸡冠岭山梁发生应力发生重分布,上覆层状岩体逐渐发生层面分离,层状岩体下部产生裂缝,岩体强度逐渐降低;(4) 当斜坡下部煤层逐渐采空后,上覆层状岩体变形急剧增大,发生倾倒破坏,挤压矿层下伏稳定岩体,发生剪切滑移,最终从临空处剪出形成高速碎屑流。因此,对于西南灰岩褶皱山区,认识长期地下采空对层状山体的扰动作用,对大型灰岩山体防灾减灾与风险区划具有重要的现实意义。     

煤矿采空区不稳定斜坡变形机理研究

在现场地质调查的基础上,结合物理模拟试验,对贵州省大方县云龙山变形体特征及其孕育演化过程进行了深入研究。云龙山所在区域石灰岩分布广泛,地形切割剧烈,谷深坡陡,坡脚六个煤硐的开采导致整个上覆坡体变形开裂并发生浅表层崩滑破坏,属于典型的地下采空区诱发上覆坡体失稳案例,其变形破坏过程可以概括为:煤层开采—采空区坍陷—坡体沉陷开裂—坡表失稳。     

顺层震裂斜坡降雨触发灾变机制及稳定性分析——以三溪村滑坡为例

 震裂斜坡作为震后灾区潜在的高危地质灾害承载体分布广泛,尤其在雨季突发失稳的现象突出。针对该类灾害,以三溪村滑坡为例,通过现场详细调查,采用Seep模块探寻降雨作用下斜坡的水响应规律,并通过室内试验获取不同条件下的强度参数。在此基础上,对降雨触发型震裂斜坡变形破坏的机制模式进行归纳,参照滑坡所处实际情况建立相应的水力学模型,量化计算斜坡稳定性系数。研究表明：(1) 顺层震裂斜坡灾变过程可分为原始斜坡–地震损伤–蠕变弱化–降雨触发–滑坡失稳5个演化阶段。(2) 降雨是岩体形成深部裂隙、节理扩展从而切割岩体呈条块状的重要原因,同时裂隙的贯通促进了降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。(3) 降雨与震后蠕变效应的耦合作用是影响坡体稳定性的主要因素,经历前期的降雨饱水软化以及同期的蠕变累计变形,最终在暴雨形成的水动力触发下失稳破坏。研究成果为降雨型震裂斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。     

某变形体特征及形成机理研究

变形体位于贵州省铜仁市凉水井镇,斜坡属于典型的软弱基座型缓倾坡内斜坡。基于斜坡工程地质条件及斜坡基本特征,定性分析了斜坡整体变形破坏模式。通过Geostudio2007数值模拟软件,研究斜坡整体变形破坏特征及模式,结果表明:暴雨与天然状态下,因下部泥页岩的塑性变形导致上部灰岩拉裂,斜坡整体失稳模式为塑流—拉裂;暴雨状态下,水对下部泥页岩的软化作用和裂隙充水静水压力及动水压力,加快了岩体破坏,推进斜坡破坏进程。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

三峡库区巫峡段反倾岩石边坡的破坏机制及判据

 三峡库区巫峡段龚家坊2#斜坡属反倾岩石边坡,发育薄厚互层和软硬相间的岩体结构,在库水位抬升后发生了大型滑塌。为了研究该类岩石边坡的破坏机制和判据,基于龚家坊2#斜坡岩体结构的调查成果,分析厚薄互层的反倾岩石斜坡弯曲变形过程,及库水作用下斜坡的破坏机制。基于叠合悬臂梁模型、独立悬臂梁模型,提出薄厚互层反倾岩石斜坡各破坏阶段的应力判据。采用有限元分析库水软化作用下,龚家坊2#斜坡岩石的强度折减参数及变形破坏规律。研究结果表明：(1) 上硬(嘉陵江组)下软(大冶组)的沉积结构和快速下切的河谷,是巫峡龚家坊至独龙段反倾斜坡普遍发育弯曲变形的关键因素;(2) 厚薄相间的岩层结构,使反倾岩石边坡表现为多阶段破坏,其中,薄层弯曲岩层和厚层坚硬岩层,分别以叠合悬臂梁模型和独立悬臂梁模型建立破坏判据;(3) 库水对该区薄层泥灰岩软化后的抗剪强度小于天然强度的85%,斜坡发生自下而上的渐进式破坏。     

岩溶矿区采动裂隙发育及溶洞破坏特征相似模拟

针对岩溶矿区煤层开采采动裂隙发育规律及其对溶洞稳定的影响问题,通过构建岩溶洞区域煤层开采模型,对煤层开采条件下的岩溶洞破坏特征以及岩层移动特征进行了分析,分析结果表明:在强烈的采动影响下,岩溶洞顶板最容易发生破坏,导致采动裂隙发育高度在岩溶洞顶板方向达到最大;在非均匀采动影响下,岩溶洞两侧岩层呈现极不均匀下沉,岩层以岩溶洞为端点发生回转,致使岩溶洞顶板和底板发生破坏。若此时,岩溶洞处于浅埋状态,则其顶板裂隙与地表容易贯通,使得地表土体颗粒流失,而底板裂隙造成岩溶洞内充填物漏失,岩溶洞顶板裂隙和底板裂隙的共同作用为岩溶地表塌陷创造了有利的客观条件。因此,在岩溶地区进行煤层开采时,应防止岩溶洞区域受到非均匀采动的影响。     

软弱基座型斜坡变形破坏过程研究

在现场调查的基础上，以黄河上游某电站库区一个下部有软弱基座、上部为硬岩构成的双层结构型斜坡中发育的大型滑坡为例，通过地质分析及数值模拟分析，揭示了该类斜坡的形成多以软弱基座的压缩变形为先导，从而引起上部岩体拉裂、弯曲变形，并最终受坡体内最大剪应力带控制而形成蠕滑拉裂型滑坡的特征。     

塑流–拉裂式崩塌机制及评价方法

 塑流–拉裂式崩塌或软弱基座型崩塌是我国西南山区和三峡库区常见的一种崩塌类型。当危岩体的下部有较厚的软弱岩层时,此类崩塌发生尤为频繁。软弱岩层在上部岩体压力作用、遇水软化、长期风化剥落等因素作用下,不断压缩并向临空方向塑性流动,导致上覆较坚硬岩层拉裂形成塑流–拉裂式危岩体。离散元模拟得到此类崩塌的变形破坏地质过程为：软岩风化剥落→上部硬岩局部坠落→软弱基座挤出变形→上部硬岩产生下宽上窄拉裂缝→变形继续发展→崩塌产生。根据软弱层不均匀变形前后上部被拉裂硬岩的2种不同破坏模式,应用地质力学分析方法,推导塑流–拉裂式崩塌稳定系数计算公式。以三峡地区万州某边坡为例,采用抗压强度–压应力比值分析法和软弱层不均匀变形稳定性分析法进行对比分析。结果表明：静力条件下,危岩体短期内处于稳定状态;高地震烈度条件下,危岩体不稳定。     

层状岩体斜坡强震动力响应的振动台试验

 通过大型振动台试验,研究反倾和顺层两类结构岩体边坡在强震条件下的地震动力响应。结果表明：强震条件下,斜坡对水平地震动力的响应要远超过垂直地震动力,前者所导致的加速度响应峰值(PGA)放大系数是后者的2～3倍。在水平地震动力作用下,斜坡的地震动响应具有显著的高程效应和结构效应。对于硬岩顺层斜坡在1/2倍坡高以上坡面和坡内均出现显著的PGA放大效应;而硬岩反倾斜坡的放大效应则主要表现在坡体内部1/2倍坡高以上和坡体表部2/3倍坡高以上,且放大幅度要高于顺层斜坡。软岩斜坡在水平地震力作用下的动力响应总体上较硬岩斜坡弱,顺层斜坡表现为1/2倍坡高后,PGA放大系数的持续增大,而反倾斜坡主要表现为坡表中下部(1/4倍坡高处)和3/4倍坡高以上PGA的突然增大。模型在强震条件下的破裂观测结果表明：硬岩顺层斜坡(HD)在变形破坏通常表现为顺层滑移–下部隆起溃屈型失稳;硬岩反倾斜坡(HAD)为后缘垂直拉裂–中下部平缓剪出型失稳(L型滑面);软岩顺层斜坡(SD)为顺层滑移–底部挤出–分层滑移型失稳;软岩反倾斜坡(SAD)为斜坡顶部拉裂–下部剪出型失稳。试验结果与现场观察现象能较好吻合,从而深入揭示强震条件下层状结构斜坡的地震动力响应和失稳破坏机制。     

抗滑桩加固斜坡坡面位移场特征及演化模型试验研究

 通过大型滑坡物理模型试验,利用计算机辅助检测技术测量坡体表面的位移场,获得抗滑桩加固斜坡坡面位移场分布特征,统计斜坡失稳过程中坡面位移场的特征统计量–方差,根据位移场方差值D(X)的平稳变化和急剧变化对坡体失稳破坏过程进行描述;运用分形理论R/S分析法,确定滑坡位移场时序分形动力学参数–坡面位移场方差的Hurst指数,研究抗滑桩加固斜坡失稳过程中坡面位移场的演化规律。试验结果表明：坡面位移场特征统计量–方差可以用来表征斜坡宏观裂缝的发育、贯通,以及斜坡的失稳破坏;宏观裂缝形成前夕,坡面出现局部变形带,局部变形进一步集中,形成宏观地表裂缝,此统计特征量–方差出现突变,斜坡失稳破坏时,位移场方差出现激增;斜坡失稳过程中位移场时序分形动力学参数–坡面位移场方差的Hurst指数表现出“低值–回升–降维”的演化趋势,坡面位移场方差的Hurst指数随着斜坡由稳定向失稳的演化出现明显降维突变规律。     

保护煤层开采引起覆岩垮落及其被保护煤层透气性变化的数值模拟

在充分考虑到岩石的非均匀性、存在的节理、裂隙等基础上，运用岩石破裂过程分析系统（RFPA），进行由于深部煤层（保护层）开采诱发的上覆岩层垮落过程及被保护煤层透气性系数变化的数值模拟。模拟结果较好地展示在开采保护煤层过程中覆岩节理、裂隙的发育、顶板的垮落以及被保护煤层的弯曲、变形和透气性系数的变化过程，反映出岩层移动的三带特征：垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带以及这三带演化的动态过程。从破坏点空间分布中可以看出岩层破坏的逐层传递性。文中阐明被保护煤层在保护煤层开采期间的应力场与透气性变化之间的联系。     

三维应力条件下煤层底板采动破坏规律实验研究

以川煤集团白胶煤矿2481工作面地质资料为基础,利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,进行了三维采动应力条件下的三维模拟开采实验。通过应力监测、测量统计、色素示踪、照相素描等方法,对采动后的底板岩层破坏规律进行了研究。研究结果表明:底板岩层表现出“采前增压-采后卸压-压实回升”的动态受力特征;根据裂隙发育特征,可将底板裂隙带在走向上分为“开切眼裂隙发育区”、“采空区中部压实区”和“工作面裂隙发育区”,在竖直方向上分为“底板破断裂隙带”和“底板弯曲离层带”;确定底板最大破坏深度为14 m,为上保护层开采中被保护煤层瓦斯抽采的设计及优化提供了依据。     

采动作用下视倾向崩滑岩溶山体控滑裂隙演化特征离散元分析

该文采用UDEC离散元数值模拟的方法,研究了重庆武隆鸡尾山滑坡在长期采动作用下山体内部裂隙拓展发育规律,揭示了坡体内新生裂隙发育、深大裂隙发育贯通、软弱夹层脱离稳定岩体的失稳破坏机理.结果表明:崩滑体位移具有一定的时空效应,随采空区域的扩大,崩滑体位移逐渐增加,并有下坐挤压关键块体的运动趋势;软弱夹层与下部岩体脱离长度随着才开采工作面推进而增加,逐渐贯穿滑坡底面,开采约200m,脱离长度发生一次突变,并在440m后进入快速脱离阶段;坡体内前沿新生裂隙沿原有优势节理由采空区上覆岩体开始逐步斜向上向坡表发育,后沿坡体裂隙发育不明显,表现为整体下坐;采空区域达到440m时,崩滑体沿着西侧深大裂隙发生错落.建立了适筋简支斜梁力学模型,分析裂隙产生发育和深大裂隙贯通的力学机理,针对山体在弯、剪、轴复合应力状态下,主应力方向改变对新生裂隙的发育机理作出解释,揭示了大面积采空引起的山体间位移差和以软弱夹层为界限的强度差、刚度差是导致深大裂隙贯通至软弱夹层的主要原因.     

地震荷载作用下陡倾角顺层开挖斜坡的变形破坏模型试验

在汶川地震灾区,顺层陡倾斜坡是一类地震山地灾害非常发育的斜坡类型,而开挖往往加剧了斜坡的地震山地灾害。为了重现斜坡的变形破坏过程,分析斜坡在地震荷载作用下的变形破坏规律。选取平武县平通镇桑树坪滑坡所处斜坡作为顺层陡倾角开挖损伤斜坡的典型实例,进行地震荷载作用下变形破坏的室内物理模型试验。结果表明,开挖加剧了斜坡在地震荷载作用下的变形破坏。从破坏形式来看,顺层陡倾斜坡的坡变形破坏兼具崩塌和滑动二者特征,与野外调查结果吻合。从整个变形破坏过程来看,可以划分为以下阶段：a.地震初始阶段,此阶段开挖呈契形体岩层在地震作用下沿层面微小滑动,坡脚应力剧增;b.开挖岩层坡脚溃曲阶段;c.全面下滑阶段;d.岩层滑动受阻倾倒阶段。     

灌溉诱发型黄土滑坡离心模型试验研究

滑坡是一种常见的地质灾害,灌溉诱发黄土滑坡失稳是常见地质灾害之一。灌溉作用不仅改变了地下水平衡,而且降低了土体的抗滑强度,从而导致黄土滑坡的发生。针对黑方台焦家崖头13号黄土滑坡,开展了灌溉作用下滑坡失稳机理的离心模型试验研究,揭示了黄土滑坡的变形特性、应力水平及破坏模式。离心模型的制作考虑了"粒径效应"、"尺寸效应"。离心试验结果表明:随着加载时间和离心加速度的增大,模型坡体沉降量、坡体土压力、坡体孔隙水压力均逐渐增大;坡体沉降量由坡顶至坡脚逐渐减小,最大垂直位移为33.38 mm,坡体土压力由坡顶至坡脚逐渐增大,最大土压力为320 k Pa,坡体孔隙水压力表现为坡顶坡脚坡体中部,最大孔隙水压力为157.08 k Pa;坡体呈现出两级破坏模式,即第一阶段的坡脚蠕动变形,坡顶压制拉裂,第二阶段的坡体剪切滑移。